CMOS集成溫度傳感器電路設計及仿真

汪 濤, 劉士興, 易茂祥, 楊文華

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院, 安徽 合肥 230009)

CMOS集成溫度傳感器電路設計及仿真

汪 濤, 劉士興, 易茂祥, 楊文華

(合肥工業大學 電子科學與應用物理學院, 安徽 合肥 230009)

根據集成溫度傳感器的原理,利用晶體三極管發射結作為敏感元件,設計出集成溫度傳感器電路。根據電路中的器件及其連接關系,得到了該電路的網表文件。基于SPICE軟件的仿真實驗結果表明,該傳感器的電壓和電流的溫度靈敏度分別為3.15 mV/℃、0.61 μA/℃，且線性度較好。

集成溫度傳感器； 發射結電壓； 網表文件； 電路仿真

集成電路的設計方法主要有全定制方法、半定制方法和FPGA方法[1-2]。全定制方法要求精確到每一個晶體管和連線；半定制方法只需要對已有晶體管陣列布線即可；而FPGA方法只需要進行軟件編程就能得到滿足功能需要的集成電路。在2013年的中國集成電路設計年會上,與會專家學者提出當前集成電路發展的主要趨勢是集成化、可重構化和數字化。因此,數模混合集成電路與傳感技術相結合具有重要意義。

溫度是對人類生產生活有重要影響的物理量。溫度傳感器種類繁多,傳統的熱電偶和熱電阻難以和接口電路集成,而MEMS溫度傳感器和集成溫度傳感器在提高集成度方面則方便得多[3-5]。集成溫度傳感器可用于LED散熱模塊以及熱電參數監測等多種場合[6-7]。本文基于全定制設計方法,將先進集成電路設計方法和實際應用相結合,在設計高增益運放電路的基礎上,利用雙極型晶體三極管的發射結作為敏感元件,設計出CMOS集成溫度傳感器電路,再根據MOS晶體管模型和PNP晶體管模型得到電路的網表文件,基于SPICE軟件仿真得到該溫度傳感器電路的電壓和電流的溫度特性。

1 CMOS集成溫度傳感器的原理

目前CMOS集成溫度傳感器的設計,大多采用一對非常匹配的雙極型晶體管構成差分對結構作為溫度敏感元件[8-10]。圖1是集成溫度傳感器基本原理[3]，其中Q1和Q2是互相匹配的PNP晶體管,I1和I2分別是Q1和Q2管的集電極電流,由恒流源提供。

圖1 集成溫度傳感器基本原理圖

在理想情況下,當晶體管的放大倍數較大時,可忽略基極電流Ib,則集電極電流Ic約等于發射極電流Ie。襯底型PNP三極管的集電極電流Ic與發射結正偏時的電壓關系可由下式給出[3]:

(1)

式中VT=KT/q,Is為晶體管發射極反向飽和電流,K為玻爾茲曼常數,q為電子電荷量,T為絕對溫度。上式經過變換,可表示發射結電壓Vbe為[11-12]

(2)

Q1和Q2管的發射極和基極電壓之差ΔVbe可用下式表示[10-12]:

(3)

n為Q1和Q2兩個雙極型晶體三極管發射結的面積之比。如果nI1/I2為定值,則ΔVbe就與溫度T成線性變化關系,據此原理可設計出多種不同電路及不同輸出類型的集成溫度傳感器。

(1) 當三極管Q1和Q2的發射結的面積相等時,I1=nI2,該方法對兩個雙極型晶體三極管版圖的匹配精度要求較高。

(2) 在保證I1和I2相等的情況下,使三極管發射結面積AQ2/AQ1=n。本文基于這一原理來設計CMOS集成溫度傳感器電路。

2 CMOS集成溫度傳感器電路設計

本文采用4 μm工藝設計電路。CMOS集成溫度傳感器電路可分為4個模塊,分別是偏置電路、差分運放、一級運放和感溫模塊(見圖2)。利用集成電路設計中的源漏公用和晶體管的串并聯方法優化電路,該電路共由18個MOS管(見表1)、BJT差分對管Q1和Q2(發射結面積之比為5 μm2∶40 μm2)、3個電阻、2個電容和1個5 V的直流電壓源構成。

圖2 晶體管級CMOS集成溫度傳感器電路

μm

3 集成溫度傳感器的電路仿真

根據器件模型和器件之間的連接關系,初步編寫的網表文件如下:

*Simulationnetlist Vdd Vdd 0 DC 5v Gnd Gnd 0 DC 0v M1 1 10 N4 Gnd mn L=4u W=20u M2 2 9 N4 Gnd mn L=4u W=20u M3 1 3 Vdd Vdd mp L=4u W=30u M4 2 3 Vdd Vdd mp L=4u W=30u M5 4 6 Gnd Gnd mn L=4u W=20u M6 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M7 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M8 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M9 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M10 5 1 Vdd Vdd mp L=4u W=95u M11 5 6 Gnd Gnd mn L=4u W=65u M12 5 6 Gnd Gnd mn L=4u W=65u M13 9 7 Vdd Vdd mp L=4u W=40u M14 10 7 Vdd Vdd mp L=4u W=40u M15 15 7 Vdd Vdd mp L=4u W=40u M16 14 14 Vdd Vdd mp L=4u W=4u M17 13 13 14 14 mp L=4u W=4u M18 13 13 Gnd Gnd mn L=4u W=20u Q1 Gnd 12 9 QPNP AREAA=5 AREAB=8 AREAC=10 MOD3

Q2 Gnd 12 11 QPNP AREAA=40 AREAB=64

AREAC=80 MOD3

R0 5 8 3K

R1 10 11 0.5K

R2 15 Gnd 5K

C1 7 8 5.2p

C2 7 Gnd 10p

根據電路網表文件進行SPICE軟件仿真,反復調試各器件參數值并優化處理,可得到整個電路的輸出結果(見圖3和圖4)。從圖3和圖4可以看出,PTAT(proportional to absolute temperature,與絕對溫度成正比)電壓和PTAT電流均與溫度具有較好的線性關系。當溫度超過120℃時,PTAT電壓和PTAT電流的增加速率隨溫度升高而加快,曲線斜率變大,PTAT電壓和PTAT電流的溫度靈敏度分別為3.15 mV/℃、0.61 μA/℃,線性度(非線性誤差)分別為2.58%和2.56%。

圖3 溫度傳感電路的電壓隨溫度變化曲線圖

圖4 溫度傳感電路的電流隨溫度變化曲線圖

4 結束語

本文從集成溫度傳感器的原理出發,利用晶體三極管發射結電壓隨溫度的變化關系來反推溫度變化,設計出CMOS集成溫度傳感器電路,根據器件及其連接關系得到電路的網表文件,再利用SPICE軟件仿真得到電壓及電流隨溫度變化曲線圖。以集成電路設計的一般性方法為基礎,再采用提高電學性能的方法,所得到的傳感電路靈敏度和線性度較好。在進一步的工作中,可根據網表文件設計版圖,對版圖中提取的網表文件和電路圖網表文件做一致性檢查后可流片測試。

References)

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[9] 祁雪.CMOS帶隙溫度傳感器電路的研究[D].南京:東南大學,2006.

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Design and simulation of CMOS integrated temperature sensor circuit

Wang Tao, Liu Shixing, Yi Maoxiang, Yang Wenhua

(School of Electronic Science and Applied Physics,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

Based on the principle of integrated temperature sensor,the sensor circuit is designed due to the emitter junction voltage of the transistor working as the sensitive element. The netlist file of the sensor circuit is obtained according to the devices and the connections. It is shown by the simulated results from the SPICE software that the temperature sensitivity of the voltage and the current is 3.15mV/℃ and 0.61μA/℃, respectively. Furthermore,the linearity is valuable.

integrated temperature sensor; emitter junction voltage; netlist file: circuit simulation

2014- 11- 14

國家自然科學基金項目(61371025)；國家自然科學基金項目(61404042)；安徽高校省級自然科學研究重點項目(KJ2012Z316)；合肥工業大學校內專項項目(2012HGXJ0063)

汪濤(1981—),男,河南商城,在讀博士生,講師,主要研究方向為天線與集成電路.

E-mail：wulishuwt@163.com

TN432

A

1002-4956(2015)6- 0114- 03